Структура рынка современных микропроцессоров

Структура рынка современных  микропроцессоров

 

Доминирующее положение  на рынке универсальных микропроцессоров занимают микропроцессоры с системой команд х86. основными производителями  которых являются компании Intel, AMD и VIA. Ежегодный рост выпуска таких  микропроцессоров составляет 10—15%. Доля остальных микропроцессоров с RISC-архитектурой составляет около 20 % рынка.

В настоящее время производятся и используются вычислительные системы  на базе микропроцессоров следующих  архитектур.(таблица 1)

 

Таблица 1. Наиболее распространенные микропроцессорные архитектуры.

Микропроцессорная архитектура Компания-разработчик

X86 Intel, AMD, Cyrix, IDT, Transmeta

La-64 Intel

Power-PC Motorola, IBM, Apple

Power IBM

PA Hewlett-Packard

Alpha Hewlett-Packard(DEC)

SPARC SUN

MIPS MIPS

MAJC SUN

 

Исторически микропроцессоры  с архитектурой х86 доминировали в  персональных ЭВМ, а RISC-процессоры использовались в рабочих станциях, высокопроизводительных серверах и суперкомпьютерах. В настоящее  время процессоры с архитектурой х86 несколько потеснили RISC-процессоры в их традиционных областях применения, в то же время, некоторые производители  рабочих станций, например SUN, пытаются выйти со своими процессорами на рынок  персональных ЭВМ.

На сегодняшний день основные производители микропроцессоров обладают примерно равными технологическими возможностями, поэтому в "борьбе за скорость" на первое место выходит  фактор архитектуры. Архитектура микропроцессоров на протяжении ряда лет развивается  по двум магистральным направлениям. В рамках каждого направления  в той или иной степени используются ранее рассмотренные архитектурные  приемы повышения производительности, но имеются и собственные приоритеты.

Первое направление получило условное название Speed Daemon. Оно характеризуется  стремлением к достижению высокой  производительности главным образом  за счет высокой тактовой частоты  при упрошенной внутренней структурной  организации микропроцессора.

Второе направление — Drainiac — связано с достижением  высокой производительности за счет усложнения логики планирования вычислений и внутренней структуры процессора. Каждое из направлений имеет собственных  противников и сторонников и, по-видимому, право на существование.

Компании — производители RISC-процессоров создали и активно  развивают свои микропроцессорные  архитектуры, обеспечивая обратную программную совместимость между  поколениями микропроцессоров одного семейства при уменьшении технологических  норм производства и увеличении -производительности.

Общей особенностью большинства RISC-микропроцессоров является высокоскоростная обработка 64-разрялных операндов  с фиксированной и плавающей  точкой. Построение функциональных узлов  таких микропроцессоров требует  сложных схемотехнических решений, что обусловливает использование  большого числа транзисторов в логических схемах процессора и большого числа; слоев металлизации для осуществления  межсоединений.

В поисках способов достижения максимальной производительности разработчики микропроцессоров с RISC-архитектурой все  чаше позволяют себе отходить от ее канонических принципов. В то же время, в микропроцессора CISC-архитектуры, яркими представителями которых  является семейство х8б, внедряются решении, наработанные при создании RISC-процессоров.

В этой главе, на примерах микропроцессоров различных компаний-производителей, будут рассмотрены основные архитектурно-технические  решения, используемые в настоящее  время при создании микропроцессоров.

 

Современные процессоры INTEL

 

Компания Intel является одной  из передовых в производстве современных  микропроцессоров. Компанию основали Роберт Нойс и Гордон Мур в 1968 году Intel переводится с английского  «интегральная электроника». Бизнес-план компании был распечатан на печатной машинке Робертом Нойсом и занимал  всего одну страницу. Предоставив  его банку новообразовавшаяся компания получила кредит 2, 5 миллионов долларов .

Компания стала успешной в 1971 году, когда Intel начал сотрудничество с японской компанией Busicom. Intel получил  заказ на двенадцать специализированных микросхем, но по предложению инженера Тэда Хоффа компания разработала  один универсальный микропроцессор Intel 4004. Производительность этого процессора была сравнима с производительностью  мощнейших компьютеров того времени. Следующим был разработан Intel 8008.

В 1990-е компания стала крупнейшим производителем домашних персональных компьютеров. Серии процессоров Pentium и Celeron до сих пор являются самыми распространёнными.

 

 

Микропроцессор Pentium M

 

Одним из последних достижений компании Intel, призванным предоставить пользователям новые возможности  мобильной работы, стала разработка технологи Centrino. Данная технология предусматривает  использование в компьютере новых  микропроцессоров Pentium M (на стадии разработки микропроцессор имел кодовое название Banias), нового чипсета Intel 855 и средств  доступа к беспроводным сетям  передачи данных семейства стандартов 802.11.

Основными чертами систем, построенных по технологии Centrino, являются: низкое энергопотребление, обеспечиваемое "интеллектуальной" системой управления частотой микропроцессорного ядра и  напряжением питания - Enhanced SpeedStep, малые  массогабаритные характеристики за счет реализации большинства системных  функций в высокопроизводительном чипсете, а также расширенные  коммуникационные возможности благодаря  наличию встроенного контроллера  радио-Ethernet.

Микропроцессор Pentium M, являющийся основным элементом технологии Centrino, содержит ряд новых решений, отличающих его от мобильных версий микропроцессоров Pentium III и Pentium 4. К их числу относятся:

• усовершенствованное прогнозирование ветвлений. В микропроцессоре Pentium M одновременно используются три различных алгоритма предсказания ветвлений, выполняющие анализ условных и безусловных переходов, циклов, а также предыстории выполнения программы. При принятии решения выбираются результаты наиболее точного прогноза;

• объединение микроопераций. Микропроцессор объединяет для одновременного выполнения в различных функциональных блоках несколько микроопераций, являющихся продуктом декодирования CISC-команды. Параллельное выполнение нескольких микроопераций существенно повышает соотношение производительность/энергопотребление;

• усовершенствованное управление стеком. Управление стеком реализовано на уровне микроопераций, что позволило сделать этот процесс менее энергозатратным;

• улучшенная технология управления энергопотреблением Enhanced SpeedStep. В отличие от предыдущей версии этой технологии, поддерживающей два соотношения частота/напряжение питания, в Pentium M предусмотрено большее число соотношений, позволяющих обеспечивать требуемую для выполняемого приложения производительность при минимальном энергопотреблении. Следует отметить также экономию энергии при работе с системной шиной (усилители считывания данных процессора включаются по команде чипсета только на период приема данных) и кэш-памятью (активизируется только тот фрагмент кэша, к которому в данный момент осуществляется обращение).

Микропроцессор содержит блок векторных операций SSE2, раздельную кэш-память команд и данных первого  уровня размером 32 Кбайт каждая, общую  кэш-память второго уровня размером I Мбайт. Эффективная частота процессорной шины составляет 400 МГц, а частота  работы процессорного ядра — от 0,9 до 1,6 ГГц. Мощность, потребляемая микропроцессором для тактовой частоты 1,6 ГГц, составляет 24,5 Вт.

Процессор производится по технологии 0,13 мкм и содержит на кристалле 77 млн транзисторов.

По производительности Pentium M с тактовой частотой 1,7 ГГц сравним  с Pentium 4 — 2,5 ГГц. Средняя потребляемая мощность микропроцессора составляет от 1 до 7 Вт, а максимальная — не превышает 25 Вт.

 

 

Core 2 Duo

 

Core 2 Duo - x86-совместимый процессор.  Принадлежит семейству процессоров  Intel Core 2.

Core 2 Duo и Core 2 Extreme, разработан  на основе Intel Pentium M (архитектура  Pentium Pro), обогащённым лучшими наработками  архитектуры NetBurst и рядом совершенно  новых технологий:

• Intel Wide Dynamic Execution— технология выполнения большего количества команд за каждый такт, повышающая эффективность выполнения приложений и сокращающая энергопотребление. Каждое ядро процессора может выполнять до четырех инструкций одновременно с помощью 14-стадийного конвейера

• Intel Intelligent Power Capability— технология, с помощью которой для исполнения задач активируется работа отдельных узлов чипа по мере необходимости, что значительно снижает энергопотребление системы в целом

• Intel Advanced Smart Cache— технология использования общей для всех ядер кэш-памяти L2, что снижает общее энергопотребление и повышает производительность, при этом, по мере необходимости, одно из ядер процессора может использовать весь объём кэш-памяти при динамическом отключении другого ядра

• Intel Smart Memory Access— технология оптимизации работы подсистемы памяти, сокращающая время отклика и повышающая пропускную способность подсистемы памяти

• Intel Advanced Digital Media Boost— технология обработки 128-разрядных команд SSE, SSE2 и SSE3, широко используемых в мультимедийных и графических приложениях, за один такт

Все процессоры Core 2 Duo работают с тактовой частотой системной шины (Front Side Bus, FSB) 266 МГц, в то время как  большинство моделей Pentium 4 и Pentium D используют 200-МГц шину. За исключением процессоров  начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэша L2, который используют оба процессорных ядра. Все процессоры поддерживают 64-битные расширения Intel (EM64T), мультимедийные инструкции (SSE2 и SSE3), технологию виртуализации (VT) и  бит запрета выполнения (XD). Кроме  этих функций, все модели поддерживают последние технологии управления энергопотреблением вроде Thermal Monitor 2 (TM2), Enhanced Halt State (C1E) и Enhanced SpeedStep (EIST).

В настоящее время архитектура  этого нового процессора является очень  мощной, которая решит проблемы многих пользователей.

 

Intel Core 2 Quad

 

Intel Core 2 Quad — семейство  новых четырёхъядерных процессоров  Intel, в котором объединяются два  двухъядерных кристалла на одной  платформе. Для производства процессора  была использована инновационный  45-нм технологический процесс.  Хотя эти процессоры и являются  очередными вариантами широко  распространённой микроархитектуры Core, они представляют немалый  интерес. Дело в том, что  Quad– это не простой результат  перевода предыдущих 65-нм процессорных  ядер на новую производственную  технологию. В них инженеры Intel реализовали  целый ряд усовершенствований, направленных  на увеличение производительности, достигаемое без роста тактовой  частоты. В его основе лежит  два полупроводниковых двухъядерных  кристалла Wolfdale, убранных в единую  процессорную упаковку.

Для освоения 45-нм технологического процесса компания провела огромную научно-исследовательскую работу, в  рамках которой классические диэлектрические  материалы (в частности, оксид кремния), применяемые с 60-х годов прошлого века для производства интегральных микросхем, были заменены на принципиально  новые (соединения редкоземельного  металла гафния). Новые 45-нм транзисторы  используют металлический затвор вместо затвора из поликристаллического кремния, а также диэлектрик с высокой  диэлектрической проницаемостью (high-k) – силицид гафния.

Эти изменения в конструкции  полупроводниковых элементов позволяют  решить сразу несколько насущных задач. Новый технологический процесс  с нормами 45 нм почти вдвое поднимает  плотность расположения транзисторов на кристалле, а кроме того, примерно на 20 % увеличивает их скорость переключения и на 30 % снижает необходимую для  этого мощность. В качестве дополнительного  бонуса, благодаря новым материалам значительно уменьшаются и токи утечки: в канале исток-сток – ориентировочно в пять раз, а через диэлектрик затвора – примерно на порядок.

Благодаря новому технологическому процессу Intel собирается в течение  следующего года нарастить частоты  своих процессоров семейства Core 2 Quad до 3,0 ГГц, а линейки Core 2 Duo – до 3,33 ГГц, удерживая их при этом в  рамках привычных тепловых пакетов 95 и 65 Вт, соответственно. Еще тодно  преимущество новой технологии: процессоры будут обладать кэш-памятью второго  уровня суммарным объёмом 12 Мбайт: по 6 Мбайт на каждые два ядра.

Иными словами, с внедрением нового технологического процесса никаких  изменений в строении процессоров  с четырьмя ядрами не произошло. Пары ядер всё также расположены на разных кристаллах и обмениваются данными  через системную шину и оперативную  память. Впрочем, измерение латентности  кэш-памяти на практике показывает, что  у нового процессора при увеличении в объёме он стал всё-таки слегка медленнее.

Вместе с увеличением  объёма кэш-память новых CPU получила дополнительную функцию "enhanced cache line split load". Цель этого нововведения заключается  в ускорении выборки из кэш-памяти неправильно выровненных данных, части которых могли бы быть помещены в одной строке, но попали в разные строки кэша. Новая функция пытается предугадать такие данные и сделать их выборку из кэша столь же быстрой, как если бы они лежали в одной строке. В теории, это усовершенствование может ускорить работу приложений, работа которых связана со сканированием трактов.

Процессоры Quad обладаюьт  расширением системы SIMD-команд. В  новом поколении своих CPU Intel ввёл поддержку набора SSE4.1, состоящего из 47 новых инструкций. Тем не менее, новые команды, несмотря на достаточно большое их количество, не представляют собой связанного множества, набор SSE4 включает разнородные дополнения к уже существующим SIMD-инструкциям. Новые команды, по традиции, должны будут помочь в увеличении скорости работы новых процессоров с трёхмерной графикой, с потоковым видео и  в целом ряде научных вычислительных задач.

В заключение хочется заметить, что компания Intel взяла хороший  темп смены технологических процессов  и процессорных архитектур. Как планируется, новые микроархитектуры теперь будут  предлагаться Intel каждые два года, а  через год после их внедрения  процессорные ядра должны будут переводиться на новый техпроцесс с внесением  в них некоторых небольших  усовершенствований. Согласно этому  плану, ближе к концу следующего года ожидает встреча с принципиально  новой архитектурой, известной сегодня  под кодовым именем Nehalem.